轻金属压铸厂的未来 1


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图1:图中所示为铝压铸结构部件用于车身结构时的应用选项和可能的重量减轻(来源:布勒公司2010年度报告)

能 耗的优化以及与此相关的CO2气体排放的减少是21世纪人们面临的首要任务。资源是有限的,因此,寻找尽可能高效利用资源的方

式是非常重要的。尤其是政府颁布的汽车排放物标准法规改变了固有的模式,促进了轻结构创新理念的出现。尽管全球为减少非可再生能源的使用做了很多努力,但是个人移动工具的需求还是非常旺盛的。由知名汽车生产商和研究机构联合所做的一项关于汽车行业市场和趋势的独立调查表明了这一结论的正确性。乐观预测者预测在未来的20年,汽车产量将是现在的两倍,传统的驱动技术将被新的未来导向型的技术所替代。毋容置疑,更轻和弹性更好的材料的需求将增加。铝和镁将在其中扮演重要的角色。

由于效率和可持续发展的要求,压铸企业已经遇到了新的未知的挑战,尤其重要的是要掌握压铸工艺以保证所要求的质量水平。总的趋势是朝着功能更强、重量更轻、成本更低的更加复杂部件的方向发展。

除了用轻型材料代替钢等较重的材料外,结构型部件的使用也有助于减轻汽车的重量。因此,可以有效降低能源消耗,从而减少CO2的排放。然而,受益于轻型结构的并不仅仅是依赖于汽油或柴油的汽车,还有电力和混合动力车。电池和其他电动机等驱动元件增加了汽车的重量,然而可以通过车身使用轻型结构来弥补这个问题。铝压铸件组成的结构部件可以提供更多的选择,它们将在现在和未来的新型汽车结构中起到越来越关键的作用。

艰巨的挑战

这类结构部件的要求是很高的,特别是在支撑结构和汽车车身方面,它们必须能够承担较强的动力应力,满足汽车生产商对于撞击安全装置和连接技术的严格要求。这就需要完成连续的、高水平的统一生产过程。只有这样,良好的机械性能才能确实得到维护。此外,结构部件必须易于焊接、连接和结合。尽管汽车行业的技术要求很严格,但生产还必须具备成本效益。这就意味着整个压铸流程链必须在较小的范围内完成和检测——从模具设计和铸造技术的熔化工艺的选择和处理到清理每个单一铸件的标签。

DieCast3 图2:全球汽车产量预测(来源:PwC)与材料使用量预测的对比(来源:McKinsey, Advanced Industries 2012)

适宜的工艺,恰当的设备安装

结构部件整合了很多金属零部件的功能,因此降低了车身结构的复杂性。由于将很多部件整合为一个铸件,这样的部件变得更加庞大和复杂。为了将铸件重量减到最小,铸件的壁厚由原来的2.5-3mm缩减到了2mm以下,并且只根据局部要求加厚。为了保证这种铸件生产的可靠性,为该流程的运行设备和系统选择恰当的工艺是很关键的。

更薄的壁厚所需的模具填充时间更短,进而经长的熔融金属压射行程生产的较大铸件需要尺寸非常精确的锁模机构。为了完成这些任务,需要带有工艺参数的小而弥散化的非常高效以及高动态的压射端。在拉杆上面的液压锁紧缸可以使每个拉杆单独锁紧,因此可以促使锁模力均匀分布。这样,几乎不会产生飞边,也不需进行后处理。此外,实时铸造工艺的独特控制保证了全生产工艺过程的非凡的高度一致性。

良好的密封性,远离紊流

为了达到决定压铸部件性能的型腔的低真空,需要正确设计的模具和高性能的模具真空技术。压室的耐磨性和隔热性起关键的作用,因为它们保证压室和压射冲头之间的真空系统的气密型,减少压室内熔融金属的热损失。要确保压室内熔融金属的氧化物和氢含量较低并为下一阶段的模具填充流程做准备,必须减少定量炉中浇铸金属的紊流。

后处理的精密性

除材料的熔化和压铸外,部件的后处理、热处理以及辅助工序也必须考虑。采用了脱模剂后,由于气体会对焊接质量产生负面影响,孔隙率会增加。因此,对这类铸件使用最少的脱模剂成为显著的趋势。然而,为了高效利用工艺过程中的能源,需要根据模嵌件进行温度的调整控制。

特别是铸件的压射和脱模以及随后的冷却对变形影响显著。结构部件的大尺寸对大批量生产提出了新的挑战:在压铸单元对部件进行修整需要大型的切边压力机,以及铸件和再生材料的材料优化流程。设置不正确的热处理工艺过程会增加生产过程中的废品率,

因为所要求的机械性能不能在可重复的方式下达到。

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图3:可溶芯技术典型应用的一个例子:闭合板面发动机缸体以提高高负荷柴油发动机的结构强度(来源:德国大众),图片右边:插入的盐芯。

关键词:可溶芯

随着对可溶芯技术工艺多年来的推进,轻结构的发展潜力已经得到进一步拓展。铸件的内部设计可以经几何转变变得更加复杂,可实现前所未有的部件设计和更高水平的功能整合。例如,闭合板面结构的缸体曲轴箱可以利用该优势。

在此工艺中,水套是由盐芯组成的,之后用高压水流冲洗。盐芯在压铸设备中的使用与砂芯相比不会造成任何问题,芯子表面不粗糙,因此不会造成磨损。这样用重力和砂型铸造工艺生产此类部件就被替代,并可使压铸件的生产更加经济化。压铸是近净成型工艺,基本不需要后加工流程。与压铸成形的部件的粗糙度相比,可溶芯技术的另一个优势是使用盐芯的铸件的内壁具有更高品质的表面质量。可溶芯技术尤其适用于生产以水和油等为导流介质的部件。

具有盐芯凹槽的铝合金铸件具有非常小的流动阻力。

当决定部件内部形状的盐芯制成后,恰当的盐化处理和工艺参数将起重要的作用,它可以使随后的盐芯的去除成为可能,并保证盐芯的稳定性。压铸设备生产商成为该技术的合作者,对客户的支持贯穿整个工艺过程,即从最初想法的产生到生产阶段,从盐芯应用的部件设计到压铸工艺过程中模具和盐芯概念的形成。

关键词:提高资源的有效利用

压铸中,对能源和材料的利用应给予特别重视。模具和浇注系统在此起关键的作用。仅熔化和保温工艺流程就使用了全工艺流程中50%-70%的能源。大量的能源最初在熔化和高温加热金属中消耗,然后是在使金属在模具内很快凝固并冷却和提取铸件的过程中。模具的温度控制概念在决定冷却时间以及铸造流程循环时间中起着关键的作用。使用喷射可溶于水的脱模剂的传统表面冷却法占整个循环时间的50%,也就是说其能源和资源的消耗将占50%。

相反地,短流程工艺的设计对材料的使用量是很关键的。薄壁铸件使用了成比例浇注中的最大部分的材料。该材料必须返回和再次回炉,这样会导致额外的能源使用,同时,由于熔渣的产生导致了材料损失。成本效益呼吁精密浇注的理念,从而使大幅降低回炉材料成为可能。在开始阶段,对此理念进行持续优化是可持续性的经济上的成功的关键。更精确和更快的填充和凝固模拟方法的出现用以寻找合适的浇注、通风和冷却系统。这些方法将随着铸造厂实践经验的增长变得越来越重要。除材料及其凝固和铸件性能外,部件的后处理、热处理和辅助工序也被考虑在整体分析内。各个工艺步骤以及它们如何影响成本和功能的知识应通过充分的培训来学习。防止代价高昂的错误发生的唯一方法是培养出训练有素的专家。

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图4:类似布勒公司的工具支持铸造厂全部设备效率的战略优化。压铸设备的工艺数据经过分析和统计评估,作为充分的分析结果分享给用户。这些数据帮助用户独立地认识到最常见的错误来源,并采取必要的措施。

关键词:提高生产力

压铸单元生产力的最好指标是其正常运行时间和压铸工艺效率,也就是每单位时间内生产铸件的数量。然而,我们如何客观衡量呢?OEE(全设备效率)测量法最近在全行业得到推荐使用,并将理论产能和实际产能做了对比。特别令人感兴趣的是,在把时间、速度和质量等因素按照有意义和可靠的方式考虑时,该测量方法包含了全压铸单元的性能表现,即包含压铸设备和外围设备。因此,单个部件的可靠性和正常运行时间对于压铸单元的产能来说显得不那么重要。而产能更多是由最弱的环节以及单个部件和生产链的子流程之间的相互影响决定的。与工艺流程有关的所有部件之间的清晰的连接是使生产不中断且成本高效的关键。

压铸设备目前的单元控制系统与监控和记录工艺流程的系统外围设备的所有活动进行融合。与更高水平系统的连接使中心位置数据的长期收集、分析和保护成为可能。此外,它们通过一个复杂的诊断系统辅助操作员优化全压铸工艺流程和全设备效率。控制系统记录了设备操作状态有关的及其外围设备的重要信息,以及可能听到的任何警报。

这些记录信息可以用于工艺的持续改进以及用来解释最常见的错误根源。专业软件包的使用可以对所需的数据进行评估。停机时间可以由相应的警报指定,任何过程中的失误都可以被识别出来。这对压铸厂来说是一个关键的好处:可以在提高收益率的同时有目的地提高工艺的生产力和质量。

未来压铸行业面临的挑战需要通过现有的专业技术、创新的理念和不懈的努力来迎接。这些挑战是生产铸件所提出的减重、扩展功能以及提高资源和成本的利用效率的结果。设备的理念和技术已经在不断改善,然而,由于铸造企业面临着不断变化的工艺条件,它们需要反复考虑如何经营企业。为了以成本最优的方式生产最高质量的部件,所有的措施都应一一协调,以满足部件和特殊生产工艺的不同需求。


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